嵌入式、物联网常见通信协议

嵌入式、物联网常见通信协议

本文介绍了一些常见的嵌入式及物联网通信协议，这些协议的性能、通信速率、覆盖范围、功率和内存各不相同，每种协议都有自己的优点和或多或少的缺点。

这些通信协议有些只适用于小型家电，有些则可以用于大型智慧城市项目。物联网通信协议分为两大类：

物理层、数据链路层协议

1.长距离蜂窝通信（1）2G/3G/4G通信协议分别指第二、第三、第四代移动通信系统协议。

（2）NB-IoT窄带物联网（NB-IoT）已成为万物互联的重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络之上，仅消耗约100%的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络之上，降低部署成本，实现平滑升级。NB-IoT专注于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。

应用场景：NB-IoT网络带来的应用场景包括智慧停车、智慧消防、智慧水务、智慧路灯、共享单车、智能家电等。

（3）5G即第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术。5G的性能目标是高数据速率、降低时延、节省能源、降低成本、增加系统容量和大规模设备连接。应用场景：AR/VR、车联网、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、联网无人机、超高清/全景直播、个人AI助理、智慧城市。

2、远距离非蜂窝通信 （1）WiFi 由于前几年家用WiFi路由器和智能手机的快速普及，WiFi协议在智能家居领域也得到了广泛的应用。WiFi协议最大的优势就是可以直接接入互联网，相比于蓝牙协议，采用Wifi协议的智能家居解决方案不需要额外的网关，相比于蓝牙协议，不需要依赖手机等移动终端。

商业WiFi在城市公共交通、商场等公共场所的覆盖，无疑彰显了商业WiFi在各类场景的潜力。

（2）是一种低速、短距离无线通信协议，是一种高可靠性的无线数据传输网络，其主要特点是速率低、功耗低、成本低、支持大量在线节点、支持多种在线拓扑、复杂度低、快速、可靠、安全。无线技术是近来兴起的新技术，主要依靠无线网络进行传输，可以在短距离内进行无线连接，属于无线网络通信技术。

技术先天的优势使得其逐渐成为物联网行业的主流技术，并在工业、农业、智能家居等行业得到广泛应用。

（3）LoRa™（长距离）是一种调制技术，可提供比同类技术更长的通信距离。LoRa网关、烟雾传感器、水监控、红外检测、定位、电源板等物联网产品应用广泛。LoRa作为一种窄带无线技术，利用到达时间差实现地理定位。LoRa定位的应用场景：智慧城市和交通监控、计量和物流、农业定位监控。

3、短距离通信（1）RFID 射频识别（RFID）是Radio的缩写，其原理是通过阅读器与标签之间进行非接触式数据通信，达到识别目标的目的。RFID应用十分广泛，典型应用有动物芯片、汽车芯片防盗装置、门禁、停车场控制、生产线自动化、物料管理等。一套完整的RFID系统由阅读器/写入器（）、电子标签（Tag）、数据管理系统三部分组成。

（2）NFC的中文全称是近场通信技术（Near Field ）。NFC是在非接触式射频识别（RFID）技术的基础上结合无线互联技术发展起来的，为我们日常生活中越来越普及的各种电子产品提供了一种非常安全、快捷的通讯方式。NFC中文名中的“近场”是指电磁场附近的无线电波。

应用场景：应用于门禁、考勤、访客、会议签到、巡更等领域，NFC具有人机交互、机器交互等功能。

（3）蓝牙技术是一种开放的无线数据和语音通信全球标准，它是一种基于低成本短距离无线连接的特殊短距离无线技术连接，为固定和移动设备建立通信环境。

蓝牙可以在包括手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑以及相关外设在内的众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术可以有效简化移动通讯终端设备之间的通讯，也可以成功简化设备与互联网之间的通讯，使数据传输变得更快捷、更有效率，为无线通信拓宽了道路。

4、有线通信（1）是Bus（ Bus）的缩写，是一种外部总线标准，用于规范计算机与外部设备的连接和通信，是PC领域使用的一种接口技术。

（2）串行通信协议 串行通信协议是指规定数据包内容的规范，包括起始位、主数据、校验位和停止位。通信双方需要约定相同的数据包格式，才能正常发送和接收数据。在串行通信中，常用的协议有RS-232、RS-422、RS-485等。

串行通信是指外设与计算机之间通过数据线逐位传输数据的一种通信方式。这种通信方式使用的数据线较少，在远距离通信中可以节省通信成本，但其传输速度比并行传输低。大多数计算机（笔记本电脑除外）都包含两个 RS-232 串行端口。串行通信也是仪器仪表和设备常用的通信协议。

（3）以太网以太网是一种计算机局域网技术，IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，规定了包括物理层连接、电子信号和媒体访问层协议等内容。

（4）远程抄表系统（MBUS）是欧洲标准的2线总线，主要用于热量表、水表等消耗测量仪表。

网络层、传输协议

1. IPv4 互联网通信协议版本4是互联网协议发展过程中的第四个修订版本，也是该协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是互联网协议使用最广泛的版本。

2、IPv6 互联网协议版本6。IPv4最大的问题是网络地址资源有限，严重制约了互联网的应用和发展。采用IPv6不仅可以解决网络地址资源数量问题，而且可以解决各类接入设备接入互联网的障碍。

3. TCP 传输控制协议（TCP， ）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 旨在适应支持多种网络应用程序的分层协议层次结构。连接到不同但互连的计算机通信网络的主机计算机中的进程对依赖 TCP 提供可靠的通信服务。TCP 假定它可以从较低级别的协议中获得简单的、可能不可靠的数据报服务。

4、基于IPv6的低速无线个人局域网标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4。

应用层协议

1、MQTT协议 MQTT（Queue），中文翻译成中文，是一种消息传输协议，主要提供订阅/发布两种消息模式，比较简单、轻量、易用，特别适合受限环境下（低带宽、网络延迟高、网络通信不稳定）的消息分发，是物联网（of Thing）的标准传输协议。

它在许多情况下被广泛使用，包括机器对机器 (M2M) 通信和物联网 (IoT) 等受限环境、通过卫星链路通信的传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居和一些小型化设备。

2. CoAP 协议 CoAP（ ）是物联网世界中一种类似网络的协议，适用于需要通过标准互联网网络进行远程控制或监控的小型低功耗传感器、开关、阀门和类似组件。服务器无法响应不支持的类型。

3、REST/HTTP协议是一种基于资源的软件架构风格。资源是网络上的一个实体，或者是网络上的一个具体信息。一张图片或者一首歌曲都是一种资源。API是基于HTTP协议的实现。（HTTP是应用层协议，简单、快速）。

符合REST规范的应用程序或设计就是按照REST规范设计的API。

4.DDS协议DDS（Data）分布式实时数据分发服务中间件协议，它是分布式实时网络中的“TCP/IP”，用于解决实时网络中网络协议互联，其作用相当于“总线上的总线”。

5、AMQP协议AMQP，即提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议，是一个应用层协议的开放标准，专为消息中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可以不受不同客户端/中间件产品、不同开发语言等限制地进行消息传输。其中的实现包括等。

6.XMPP 协议 XMPP 是基于标准通用标记语言子集 XML 的协议，继承了 XML 环境下的灵活开发，因此基于 XMPP 的应用具有超强的可扩展性，经过扩展后，XMPP 可以通过发送扩展信息来处理用户需求，在 XMPP 之上建立内容发布系统、基于地址的服务等应用。

通信协议比较

1.NB-IoT协议与LoRa协议对比

第一，频段。LoRa工作在1GHz以下的免授权频段，应用不需要额外付费。NB-IoT和蜂窝通信使用的都是1GHz以下的频段，是授权的，需要付费。

第二，电池寿命。LoRa模块在处理干扰、网络重叠、可扩展性等方面有独特的功能，但无法提供与蜂窝协议相同的服务质量。NB-IoT出于服务质量的考虑，无法提供与LoRa相同的电池寿命。

第三，设备成本。对于终端节点而言，LoRa协议相较NB-IoT更加简单，开发更加容易，对微处理器的适用性和兼容性更强。同时，目前市面上已经可以找到低成本、相对成熟的LoRa模块，升级版本也会陆续推出。

第四，网络覆盖及部署进度。NB-IoT标准于2016年公布，除了网络部署外，相应的商业化和产业链的建立还需要更多的时间和精力去探索。整个LoRa产业链已经比较成熟，产品处于“蓄势待发”的状态。同时，全球许多国家正在进行或已经完成全国范围的网络部署。

2、蓝牙、WiFi及协议对比目前WiFi的优势在于应用广泛，已普及千家万户；优势在于功耗低、自组网；UWB无载波无线通信技术的优势在于传输速率；蓝牙的优势在于组网简单。但这三种技术也都有各自的不足之处，没有一种技术能够完全满足智能家居的所有要求。

蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但其协议复杂、功耗大、成本高，不适合要求低成本、低功耗的工业控制、家庭网络等场合。尤其蓝牙最大的障碍是传输范围有限，一般在10米左右的范围内才有效。抗干扰能力弱和信息安全问题也是制约其进一步发展和大规模应用的主要因素。

WiFi 也是一种短距离无线传输技术，可以随时接入无线信号，移动性强，比较适合在办公室、家庭中使用。当然 WiFi 也有一个致命的缺陷，由于 WiFi 采用射频技术通过空中收发​​数据，采用无线电波传输数据信号，因此比较容易受到外界干扰。

它是国际上通行的无线通信技术，其每个网络端口最多可以接入65000个端口，适合家庭、工业、农业等多个领域的使用，而蓝牙、WiFi网络终端最多只能接入10个端口，显然不能满足家庭的需求，同时还具有功耗低、成本低等优势。

3、MQTT 与 CoAP 的比较 MQTT 是一种多对多通信协议，用于通过中间代理在不同的客户端之间传输消息，解耦生产者和消费者，允许客户端发布，代理决定路由和复制消息。虽然 MQTT 支持一定的持久性，但它最适合用作实时数据通信总线。

CoAP 主要是一种点对点协议，用于在客户端和服务器之间传输状态信息。虽然 CoAP 支持观察资源，但它最适合状态传输模型，并且并非完全基于事件。

MQTT 客户端建立长寿命 TCP 连接，这通常表示没有问题。CoAP 客户端和服务器都会发送和接收 UDP 数据包。在 NAT 环境中，可以使用隧道或端口转发来允许 CoAP，或者像 LWM2M 一样，设备可以首先发起前端连接。

MQTT 不提供对消息类型标记或其他元数据的支持以帮助客户端理解。MQTT 消息可用于任何目的，但所有客户端都必须知道上行数据格式才能进行通信。相比之下，CoAP 提供对内容协商和发现的内置支持，允许设备相互检测并找到交换数据的方法。

两种协议都有各自的优点和缺点，选择正确的协议取决于您的应用程序。